Лекция 3

ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ

План лекции

1. Классификация грунтов

2. Онования и требования к ним

3. Классификация фундаментов

4. Детали фундаментов

5. Защита фундаментов от воды (отмостка, гидроизоляция)

Схема: Классификация грунтов

Основания (грунты)

Естественные

Искусственные

скальные

нескальные

крупнообломочные

песчаные

глинистые

§ 1. Основания

Геологические породы, залегающие в верх­них слоях земной коры, используемые в строительных целях, называются грунтами. Грунты представляют собой скопление час­тиц (зерен) различной величины, между ко­торыми находятся поры (пустоты). Эти час­тицы образуют так называемый скелет грун­та. Грунты, непосредственно воспринимающие нагрузки от здания или сооружения, называ­ются основанием. Основание, способное вос­принять нагрузку от здания или сооружения без укрепления (усиления) грунтов, называ­ется естественным основанием. Основание, способное воспринять нагрузку от здания или сооружения только после проведения мер по укреплению (усилению) грунтов, называется искусственным основанием.

Естественные основания. Грунты, исполь­зуемые в качестве естественных оснований зданий и сооружений, подразделяются в за­висимости от геологического происхождения, минералогического состава, физико-механи­ческих показателей на скальные и нескаль­ные. К последним относятся крупнообломоч­ные, песчаные и глинистые.

Скальные грунты представляют собой вулканические (изверженные), метаморфиче­ские и осадочные породы с жесткой связью между зернами минералов (спаянные и сце­ментированные). Такие грунты залегают в виде сплошного массива или трещиновато­го слоя, образующего подобие сухой кладки. К скальным грунтам относятся граниты, базальты, песчаники, известняки. Под на­грузкой от здания и сооружения они (за исключением сильно выветрившихся рухля­ков или водорастворимых скальных пород) не сжимаются и являются наиболее прочны­ми основаниями зданий и сооружений. К во­дорастворимым и размягчаемым в воде ска­листым породам относятся гипсы, ангидриты, глинистые сланцы, некоторые виды песча­ников.

Крупнообломочные грунты представляют собой несцементированные скальные грунты, содержащие более 50% по весу обломков кристаллических или осадочных пород. Такие грунты из крепких неразмываемых пород слабо сжимаются под нагрузкой и также мо­гут быть прочным основанием для зданий и сооружений. В зависимости от крупности

зерен различаются щебенистые (гравелп-стые) крупнообломочные грунты при преоб­ладании щебня или гравия крупнее 10 мм и дресвяные — при преобладании щебня пли гравия от 2 до 10 мм.

Песчаные грунты, сыпучие в сухом виде, состоят преимущественно из округленных частиц (зерен) крупностью от 0,05 до 2 мм, являющихся конечным результатом распада каменных пород. В зависимости от крупности частиц пески разделяются на гравелистые, крупные, средней крупности, мелкие и пыле-ватые. В зависимости от плотности сложения или пористости песчаные грунты бывают плотные, средней плотности и рыхлые. В за­висимости от степени влажности или степени заполнения объема пор водой различают песчаные грунты маловлажные, влажные и на­сыщенные водой. Увлажнение песчаных грун­тов снижает их несущую способность, причем снижение тем больше, чем меньше размеры частиц грунта. Особенно сильно влияет на снижение несущей способности грунта ув­лажнение мелкозернистых и пылеватых пес­ков с глинистыми и илистыми примесями. Эти грунты в водонасыщенном состоянии ста­новятся текучими, и потому их называют плывунами; возведение зданий на таких грун­тах создает .значительные затруднения. Пес­чаные грунты из гравелистых, крупных и средней крупности песков малосжимаемы и при достаточной мощности слоя служат прочным и устойчивым основанием зданий и сооружений.

Глинистые грунты — результат разложе­ния горных пород с преимущественным со­держанием глинозема — относят к связным грунтам, так как частицы их скреплены сила­ми внутреннего сцепления. Они состоят из мельчайших минеральных плоских частиц раз­мером менее 0,005 мм и толщиной менее 0,001 мм, а также песка и иногда раститель­ных остатков. Эти примеси уменьшают водо­непроницаемость глины и ее прочность. В за­висимости от количества содержащихся в грунте глинистых частиц и песка, а также пластичности грунта различают супеси, су­глинки и глины. Глинистые грунты пластич­ны, т. е. способны при добавке воды перехо­дить из твердого состояния в пластичное, а при дальнейшем увлажнении — в текучее состояние. От степени влажности существен­но зависят строительные свойства глинистых

грунтов. В сухом и маловлажном состоянии они служат хорошим основанием для зданий и сооружений, но несущая их способность в разжиженном состоянии значительно сни­жается.

Расширение воды при замерзании в порах глинистых грунтов основания вызывает уве­личение объема грунта, или, как говорят, «пучение». При замерзании влажных глинис­тых грунтов основания силы пучения бывают настолько велики, что они приподнимают фундаменты и могут явиться причиной де­формации фундаментов и здания. Поэтому глубина заложения фундаментов от уровня земли на глинистых грунтах должна быть, как правило, не менее глубины зимнего про­мерзания.

Глинистые грунты, обладающие в природном состоянии видимы­ми невооруженным глазом порами (лёссы, лёссовидные) в форме ячеек и вертикальных трубо­чек, размеры которых значительно превосхо­дят размеры частиц, составляющих скелет грунта, называются макропористыми грунта­ми. При увлажнении эти грунты из-за содер­жания в них растворимых в воде извести, гипса и других солей теряют связность, быс­тро намокают и при этом уплотняются, обра­зуя просадки, поэтому их называют просадочными грунтами. Для обеспечения проч­ности, устойчивости и пригодности к эксплуа­тации зданий и сооружений, возводимых на просадочных грунтах, при проектировании и строительстве должны выполняться специ­альные мероприятия по укреплению грунтов основания и по'защите их от увлажнения.

Существуют также насыпные грунты — искусственные насыпи, образованные при за­сыпке оврагов, прудов, побережий рек, на местах свалок, участках отвалов отходов производства и т. п. Засыпка производится не только грунтом или отвалами (пустой по­родой, шлаками и т. п.), обладающими малой сжимаемостью, но и мусором, содержащим большое количество органических разлагаю­щихся примесей, отходов производства, не­однородных как по структуре и составу, так и по сжимаемости. Плотность насыпных грунтов часто зависит от возраста насыпи и характера грунтов. Так, насыпи из песча­ных грунтов самоуплотняются через 2—3 го­да, а из глинистых — через 5—7 лет. Хоро­шим основанием служат отвалы металлурги­ческих шлаков при мощности слоя больше 3 м. Вопрос об использовании грунтов в каче­стве основания для зданий и сооружений рас­сматривается в каждом отдельном случае, в зависимости от характера грунта и возрас-

та насыпи, а с другой стороны — в зависимос­ти от назначения здания или сооружения.

Грунты всех видов называют мерзлыми, если они содержат в своем составе лед при отрицательной или нулевой температуре, и вечномерзлыми, если они в продолжение многих лет не подвергались сезонному оттаи­ванию.

Грунтовые воды образуются в результате проникания в грунт атмосферных осадков. Проходя через водопроницаемые слои грун­та, вода удерживается водонепроницаемым слоем (водоупором), которым обычно служит глина, и течет по его склону. В водо­непроницаемых слоях иногда встречаются прослойки глинистых грунтов, вследствие че­го грунтовая вода задерживается, образуя верховодку. Уровень грунтовых вод зависит от дождей, таяния снегов, изменения уровня воды в находящихся поблизости водоемах. Грунтовые воды, просачиваясь через различ­ные слои грунтов и растворяя содержащиеся в них вещества и газы, образуют растворы, разрушительно действующие' на материалы фундаментов. Такие грунтовые воды называ­ются агрессивными. Сточные воды промыш­ленных предприятий, например химических заводов, также могут повышать агрессив­ность грунтовых вод. Степень агрессивности грунтовых вод устанавливают химическим анализом. Когда в грунте основания содер­жатся текучие воды со скоростями течения, при которых возможно размывание грун­тов (что особенно важно при песчаных грун­тах), принимают меры защиты основания: дренаж, водопонижение, шпунтовые ограж­дения и др.

Основания зданий и сооружений выбирают на основе инженерно-геологических, гидроге­ологических изысканий и исследований грун­тов. Цель исследования грунтов оснований — получение данных об их геологическом строе­нии. В состав исследования грунтов входит определение физико-механических характе­ристик отдельных слоев лабораторными иссле­дованиями образцов грунтов, определение сте­пени влажности, уровня и состава грунтовых вод и других данных, материалы которых слу­жат основой для проектирования и для уста­новления условий возведения и эксплуатации зданий и сооружений.

Исследование грунтов, проводимое при выборе площадки (участка) для строительст­ва и на стадии разработки чертежей проек­та, — очень важный этап проектирования. От правильности выбора площадки и проведе­ния исследований ее грунтовых условий в значительной степени зависит стоимость

Рис. II.1. Геологический профиль 1 — скважина; 2 — уровень грунтовых вод

Таблица II.1 Схема напластования грунтов

Наименование грунтов	Мощность слоя в м	Отметка слоя в м
Растительный слой — почва . .	0,3	124,4
Песок мелкий маловлажный се- пый	1,8	122,6
Суглинок твердый	2,4	120,2
Песок средней крупности жел­тый ..........	2,8	117,4
Песок крупнозернистый красно-бурый средней плотности . . .	2,1	115,3
Песок гравелистый, плотный .	1,7	113,6

Примечание. Установившийся уровень грунтовой во­ды — 113,4 м от условного уровня моря.

устройства оснований зданий и сооружений и обеспечение их устойчивости в процессе эксплуатации.

По образцам грунтов из скважин, прохо­димых бурением, или из шурфов (шурф — небольшая геологическая выработка, яма) составляют разрезы (колонки) и геологиче­ские профили расположения слоев грунтово­го массива по характерным направлениям. Пример схемы напластования грунтов приве­ден в табл. II.1, а геологического разреза на рис. II.1.

Работа грунта под нагрузкой проходит следующим образом. Под действием нагруз­ки от фундаментов в грунтах основания воз­никает давление, величина которого зависит от собственного веса грунта и от веса здания или сооружения. Давление от собственного веса грунта, зависящее, в свою очередь, от объемного веса грунта и от глубины заложе­ния фундамента, называется природным (бы­товым) давлением. Давление от веса здания или сооружения называется дополнительным давлением.

Под фундаментом грунт уплотняется. В пределах сжимаемой толщи грунта под давлением действующей нагрузки, а также в результате уменьшения объема пустот и пе­ремещения частиц грунта возникают дефор­мации основания, вызывающие осадку фун­дамента, а вместе с ним и здания или соору­жения. Небольшие осадки, если они равно­мерны по периметру здания, безболезненно воспринимаются зданиями и сооружениями. Гораздо опаснее для зданий неравномерные осадки.

По чувствительности к неравномерным осадкам наземные конструкции разделяются на малочувствительные и чувствительные.

Малочувствительны к неравномерным осадкам такие конструкции, которые просе­дают как одно пространственное целое равно­мерно или с креном. Таковы, например, ды­мовые трубы, водонапорные башни, рамные конструкции на сплошных фундаментных пли­тах. Малочувствительны к неравномерным осадкам также конструкции, элементы кото­рых шарнирно связаны друг с другом (колон­ны со свободным опиранием ферм, балок).

Чувствительными к неравномерным осад­кам называют конструкции, состоящие из жестко связанных между собой элементов, взаимное смещение которых может вызвать в несущих конструкциях здания значительные деформации или местные повреждения. К та­ким конструкциям относят крупнопанельные здания с несущими поперечными стенами, ра­мы с жесткими узлами, бесшарнирные и двух-шарнирные арки, своды.

Предельные величины средних осадок ос­нований зданий и сооружений не должны превышать следующие величины в см:

Для крупнопанельных бескаркасных

зданий 8

Для зданий с кирпичными и крупно­ блочными стенами 8—10

То же, со стенами, армированными же­ лезобетонными поясами 15

Для каркасных зданий 10

Искусственные основания. Если грунты основания в пределах сжимаемой толщи сла­бы (насыпные грунты, торфянистые, рыхлые песчаные и суглинистые грунты с большим содержанием органических остатков и т. п.), не обладают необходимой несущей способ­ностью или от воздействия нагрузок от зда­ния и сооружения в них могут возникнуть значительные неравномерные осадки, их ис­кусственно укрепляют или применяют фунда­менты, передающие нагрузки на нижележа­щие прочные грунты. В этих же целях при­меняют свайные фундаменты. Выбор свайных фундаментов или способа укрепления грунтов производится технико-экономическим сопо­ставлением различных вариантов устройства оснований и фундаментов.

В массовом гражданском строительстве, как правило, применяют искусственные осно­вания двух видов: основание, создаваемое уплотнением, и основание, создаваемое укреп­лением грунта. Грунты оснований уплот­няют поверхностным трамбованием тяжелы­ми трамбовками в виде усеченного конуса весом 1,5—3 т, поднимаемыми краном на вы­соту 3—4 м и сбрасываемыми на уплотняе­мую поверхность. Такой способ, применяемый при уплотнении насыпных и просадочных грунтов, носит название поверхностного. Глу­бинное уплотнение производят «грунтовыми сваями» — забивкой сердечника в виде дере­вянной конической сваи. Сердечником, вводи­мым в грунт, уплотняют его, а после извле­чения сердечника образовавшуюся скважину заполняют грунтом, грунтобетоном или сухим песком. При слабых грунтах часто заменяют их песчаными подушками (рис. II.2, а). Песок укладывают слоями толщиной 150—200 мм и уплотняют трамбовками или поверхностны­ми вибраторами с поливкой водой. Можно принять для этого грунтобетонные смеси и шлаки. Искусственное укрепление слабых грунтов достигается цементацией, термиче­ским способом, химическим закреплением или силикатизацией грунтов.

Термический способ укрепления грунта состоит в нагнетании в толщу грунта под дав­лением через трубы воздуха, нагретого до 600—800° С, или в сжигании горючих продук­тов, подаваемых в герметически закрытую скважину под давлением. Термический спо­соб глубинного уплотнения грунта применяют для устранения просадочных свойств лёссо­вых грунтов на глубину 10—15 м. Обожжен­ный грунт образует фильтрующий слой, сквозь который вода может проникнуть через толщу просадочного грунта на устойчивый непроса-дочный грунт. Обожженный грунт приобрета-

ет свойства керамического тела, не намокает и не набухает.

Цементация грунтов осуществляется на­гнетанием в грунт через забитые в него тру­бы цементной суспензии, цементно-глинистых растворов. Цементация применяется для укрепления гравелистых, крупно- и среднезер-нистых песков, для заделки трещин и поло­стей в скальных грунтах.

Силикатизация состоит в инъекции через трубы в грунт растворов жидкого стекла и хлористого кальция и применяется для укрепления песчаных пылеватых грунтов, плывунов и макропористых грунтов. Инъек­ция делается на глубину 15—20 м и более, а радиус распространения силикатизации до­стигает 1 м.